(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211139162.4 (22)申请日 2022.09.19 (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 翟云楚　王飞　 (74)专利代理 机构 杭州信与义专利代理有限公 司 33450 专利代理师 马育妙 (51)Int.Cl. G01N 21/39(2006.01) G01N 21/3504(2014.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 湍流燃烧场三维温度、 气体浓度、 颗粒浓度 分布测量系统 (57)摘要 本发明公开了一种湍流燃烧场三维温度、 气 体浓度、 颗粒浓度分布测量系统， 包括： H2O激光 器， 发出两条H2O分子红外吸收谱线； CO2激光器， 发出CO2分子红外吸收谱线； 分束器， 令吸收谱线 分成多路在待测燃烧场内呈网格分布的激光光 束； 光电探测器， 设置于待测燃烧场周围， 用于接 收所述激光光束； 移动平台， 驱动分束器与光电 探测器移动； 上位机系统， 通过代数迭代的方式 得到二维平面内每一个网格的温度， CO2气体浓 度和颗粒浓度； 然后通过多个二维平 面重构得到 待测燃烧场的三维温度、 CO2气体浓度和颗粒浓 度。 本发明对湍流燃烧场的三维温度、 CO2气体浓 度和颗粒浓度进行同时在线重建， 具有非侵入、 响应快、 灵敏度高等优点。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 115452768 A 2022.12.09 CN 115452768 A 1.湍流燃烧场三维温度、 气体浓度、 颗粒浓度分布测量系统， 其特 征在于， 包括： H2O激光器， 用于发出两条H2O分子红外吸 收谱线； CO2激光器， 用于发出CO2分子红外吸 收谱线； 分束器， 令H2O分子红外吸收谱线或CO2分子红外吸收谱线分别分成多路在待测燃烧场 的某二维平面内呈网格分布的激光 光束； 光电探测器， 设置 于待测燃烧场周围， 用于 接收所述激光 光束； 移动平台， 驱动分束器与光电探测器沿垂直于所述 二维平面的方向移动； 上位机系统， 求解二维平面内每一激光光束上的温度， CO2气体浓度和颗 粒浓度， 通过代 数迭代的方 式得到二维平面内每一个网格的温度， CO2气体浓度和颗粒浓度； 然后通过多个 二维平面重构得到待测燃烧场的三维温度、 CO2气体浓度和颗粒浓度。 2.根据权利要求1所述的湍流燃烧场三维温度、 气体浓度、 颗粒浓度分布测量系统， 其 特征在于， 所述温度的求 解过程如下： 构建谱线强度与温度的关系式： 其中， k为玻尔兹曼常数， h为普朗克常数， c为光速， S(T0)表示气体吸收谱线在参考温度 T0下的谱线强度， E ″表示跃迁频率v0处的低态跃迁能， Q(T)表示吸收气体在温度T下的配分 函数， Q(T0)表示吸收气体在参 考温度T0下的配分函数； 所述配分函数为： Q(T)＝a+bT+cT2+dT3 其中， a， b， c， d为配分函数的三阶多 项式系数； 扫描两条H2O分子红外吸 收谱线v1和v2时， 可以求得温度： 其中， S(T)v1为H2O的v1吸收谱线在温度T下的谱线强度， S(T)v2为H2O的v2吸收谱线在温 度T下的谱线强度， S(T0)v1为H2O的v1吸收谱线在参考温度T0下的谱线强度， S(T0)v2为H2O的v2 吸收谱线在参 考温度T0下的谱线强度。 3.根据权利要求2所述的湍流燃烧场三维温度、 气体浓度、 颗粒浓度分布测量系统， 其 特征在于， 所述CO2气体浓度的求 解过程如下： 构建光线投射强度公式： 其中， I0表示入射激光强度， It表示出射激光强度， L表示光程， αabs表示气体 吸收系数，权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115452768 A 2κext表示颗粒消光系数， Ef1ame表示火焰辐射强度， P表示气压， Xabs表示吸收气体的浓度， 表示气体吸收谱线的线型函数， S(T)表 示气体吸收谱线在温度T下的谱线强度； 线型函数 在整个光谱范围内的积分值 为1。 4.根据权利要求3所述的湍流燃烧场三维温度、 气体浓度、 颗粒浓度分布测量系统， 其 特征在于， 所述颗粒浓度的求 解过程如下： 其中， fv为颗粒浓度； λ为激光入射波长， m为负折 射率； κabs为颗粒的吸 收系数。 5.根据权利要求3所述的湍流燃烧场三维温度、 气体浓度、 颗粒浓度分布测量系统， 其 特征在于， 气体吸 收系数的代数迭代过程如下： 第j条光束穿过第i个 网格的光程记作Li,j， 求解方程A＝∑αabsL， 那么第j条光束穿过整 个待测区域的投影吸光度Avm,j表示为： 其中， 下标vm表示波长为vm的光束， αi表示单个网格内的单位长度吸光度， 在迭代算法 中， 第K次迭代的每 个网格内的单位长度吸光度表示 为： 迭代过程 通过两次相邻迭代过程αvm,i的差值小于 ε停止， 表示 为如下公式； 6.根据权利要求1所述的湍流燃烧场三维温度、 气体浓度、 颗粒浓度分布测量系统， 其 特征在于， 所述分束器前设置有时分复用器， 所述时分复用器在时序上交替输出所述H2O分 子红外吸 收谱线和CO2分子红外吸 收谱线。 7.根据权利要求1所述的湍流燃烧场三维温度、 气体浓度、 颗粒浓度分布测量系统， 其 特征在于， 所述分束器的输出端设置有激光准直器， 所述激光准直器用于对分束后的激光 光束进行准直。 8.根据权利要求7所述的湍流燃烧场三维温度、 气体浓度、 颗粒浓度分布测量系统， 其 特征在于， 所述 光电探测器和/或激光 准直器外设置有隔热套 筒。 9.根据权利要求1所述的湍流燃烧场三维温度、 气体浓度、 颗粒浓度分布测量系统， 其 特征在于， 所述上位机系统包括数据采集 卡和计算机 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115452768 A 3